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Un nouveau matériau hybride pour la séparation des gaz
Le LCS, au sein d'un consortium franco-coréen, publie dans Nature Materials
Publiés dans la prestigieuse revue scientifique internationale Nature Materials lundi 19 décembre, les
travaux du consortium franco-coréen permettent d'envisager des procédés industriels plus efficaces de
séparation de gaz. Pour la première fois a été découvert un matériau facilement recyclable, capable de
purifier le gaz naturel (notamment constitué majoritairement de méthane, mais contaminé par des
concentrations élevées d'azote) ou de séparer l'oxygène de l'air, à basses pression et température, sans
utiliser les procédés couramment employés, le plus souvent énergivores.
Le Laboratoire Catalyse et Spectrochimie (Normandie Université, ENSICAEN, UNICAEN, CNRS),
l'Institut Charles Gerhardt Montpellier (CNRS/Université Montpellier/ENSCM), l'Institut des matériaux
poreux de Paris (CNRS/ENS/ESPCI) et le KRICT coréen ont découvert un système hybride
organique-inorganique poreux ordonné, communément appelé Metal Organic Framework (MOF), capable
de fixer préférentiellement l'azote gazeux, même en présence d'autres gaz. La synergie entre ces quatre
laboratoires aux compétences uniques en synthèse, caractérisation avancée et modélisation de matériaux, a
permis de concevoir un solide poreux capable de réaliser un tel type de séparation à température et pression
ambiant.
Les MOFs possèdent une structure zéolithique, une composition et des entités de construction similaires à
celles d'un composé organométallique mais en étant solides, stables jusqu'à des températures relativement
élevées et avec un contrôle spatial des entités actives, le tout bénéficiant d'une porosité accessible très
importante pour adsorber des réactifs ou molécules alors confinés au sein de leurs pores.
Des tests réalisés sous flux (conditions operando) ont démontré que certains de ces solides (surtout si
constitués de centres actifs à base de chrome) sont très efficaces dans l'adsorption sélective de l'azote au
milieu d'un mélange de gaz, notamment le méthane et l'oxygène. Des calculs DFT sur les sites actifs pour la
fixation de l'azote, ont permis de comprendre que les oxoclusters de Cr(III), stabilisés par une structure
hybride à base de ligands tricarboxylates, présentent une interaction spécifique (et inhabituelle, par rapport à
d'autres cations métalliques comme Fe(III) ou Al(III)) avec les molécules d'azote.
Le choix raisonné du meilleur solide correspondant à ces caractéristiques a conduit à la synthèse d'un
matériau poreux cristallisé contenant une très haute densité de sites Cr(III) dont l'évacuation totale de l'eau
permet d'accéder à des sites métalliques coordinativement insaturés, c'est à dire disponibles à l'adsorption de
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molécules d'azote, comme l'ont confirmé des analyses spectroscopiques in situ.
D'un point de vue plus général, ceci est une brillante démonstration qu'il est possible de façonner des
solides hybrides poreux de type MOF afin de les adapter à des réactions chimiques particulières. Les
perspectives sont nombreuses d'une part sur le plan industriel pour développer des procédés plus
efficaces de séparation des gaz et d'autre part cela ouvre la voie à d'autres applications,
particulièrement en catalyse des produits azotés.
Source : Marco Daturi
Figures :
gauche : spectres infrarouge montrant l'adsorption d'azote sur les sites du matériau MIL-100(Cr).
droite : courbes de perçage des mélanges azote/oxygène (haut) et azote/méthane (bas), montrant la
grande efficacité du MIL-100(Cr) par rapport à des matériaux analogues à base de fer ou
d'aluminium.
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Dernière modification : 6 janvier 2017
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